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Nuovi indizi sul processo di produzione dei fotoni nelle collisioni di alta energia

Sappiamo che il nucleo dell’atomo è composto da protoni e neutroni che, a loro volta, sono costituiti da particelle più elementari chiamate quark e gluoni. Osservare queste particelle elementari è alquanto complicato e allora i fisici utilizzano i grandi acceleratori per far scontrare gli atomi alla velocità della luce e vedere cosa accade durante le collisioni ad alta energia.

Le collisioni di alta energia tra i nuclei atomici (frecce bianche) producono una “nube di particelle elementari” inclusi i quark (rosso) e i gluoni (giallo). Quando i gluoni formano un fronte in espansione, essi possono produrre una sorta di “barriera” di materia esotica chiamata “color glass condensate” che alla fine si dissipa man mano che evolve l’espansione. Credit: Larry McLerran, RIKEN–BNL Research Center

Larry McLerran del RIKEN–BNL Research Center e Christian Klein-Boesing dell’University of Münster in Germania hanno dimostrato che la produzione di fotoni a seguito delle collisioni di ioni pesanti realizzate presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) e il Large Hadron Collider (LHC) è consistente con una teoria nota come “riduzione del fattore di scala geometrico” che risulta valida inaspettatamente per un ampio intervallo di condizioni. Secondo una ipotesi che emerge da considerazioni teoriche, a valori di energia estremamente elevati si ha che i gluoni raggiungono valori alti della densità al punto da formare uno stato esotico della materia, in cui i nuclei si muovono quasi alla velocità della luce, che viene chiamato “color glass condensate”, precursore di altri stati esotici della materia noti come “glasma” e “plasma quark-gluoni”. In condizioni estreme di energia e densità, questo condensato esotico della materia esibisce un’altra proprietà chiamata “geometrical scaling“. In altre parole, alcune quantità fisiche, come il tasso di produzione dei fotoni, si riducono proporzionalmente con la dimensione del nucleo in un modo previsto dalla teoria. “Ad ogni modo, l’espansione del sistema dovrebbe violare le condizioni del fattore di scala geometrico”, spiega McLerran. I ricercatori hanno dimostrato che il numero di fotoni creati dalle collisioni condotte al RHIC e all’LHC tra due protoni, due ioni d’oro, due ioni di piombo, o uno ione d’oro e un deuterone (cioè un nucleo che contiene un protone e un neutrone) è consistente con quello previsto dal fattore di scala geometrico su un ampio intervallo di condizioni sperimentali rispetto a quanto ipotizzato in precedenza. Inoltre, ciò è vero nonostante le due enormi differenze di energia che caratterizzano i due acceleratori. Questi risultati hanno delle implicazioni importanti per la cromodinamica quantistica, la teoria che descrive le interazioni forti che si celano nel nucleo atomico. In particolare, è possibile che i fisici abbiano fatto delle assunzioni errate sulla dinamica relativa alla produzione di fotoni alle energie tipiche delle collisioni che sono state realizzate al RHIC e all’LHC. Insomma, tutto ciò potrebbe indicare che c’è qualcosa di molto interessante, e che non abbiamo ancora compreso, sull’evoluzione del “plasma quark-gluoni” o “glasma”, sebbene saranno ora necessarie tutta una serie di dettagliate simulazioni numeriche per confermare la dinamica del processo di produzione dei fotoni nelle collisioni di alta energia.

RIKEN: High-energy particle collisions reveal the unexpected
arXiv: Geometrical Scaling of Direct-Photon Production in Hadron Collisions from RHIC to the LHC